认识五线谱 基础知识 在你的专业里,有什么基础知识是和普通人的认识不相符的?

有人提到911撞世贸大楼,我也说一个:【钢铁比木材更不耐火】,当然前提是火灾前钢材和木材可以承受同样荷载。

原因有四:

一 450-500摄氏度的时候,钢铁基本丧失负载能力、失稳。木头只要还没烧光,在这个温度还真能挺一下。

二 钢铁的比热容大概是0.5×10^3J/(kg·℃) ,干木头的比热容是2×10^3J/(kg·℃) ,即钢铁升温速度是木头的4倍。而且同样的荷载,用的木头比钢材要多。如果考虑到木材一般含水,还要考虑水的比热容和蒸发热。木材的升温就更慢了。

三 钢铁的导热率超好,是木材的几十倍甚至上百倍,在同样的火焰下肯定比木材升温快。

四 注意前面的叙述,承受荷载的钢铁达到500摄氏度直接就挂了,不用燃烧。木材必须烧掉才能丧失负载能力。而燃烧是要靠氧气的,外层木材有效地为内层木材隔绝了氧气,所以木材必须一层层烧掉,不会一下子就烧跨。钢铁只要被火焰燎几十秒就挂了。

这就是为什么你能看到消防员在带火的木屋架下面救人,却没人敢在赤红的钢梁下奔跑的缘故。911撞大楼一撞就倒,原因不是钢铁被点燃,而是航空燃油把钢结构烧的失去了强度,所以被烧软的中层就像面条一样瘫软下来,然后上层带着动能撞到下半部分上,一举摧垮了从未考虑动荷载的钢结构大楼。你可以看这里的第二张图片:

这张图直观地告诉我们,只要直接被火焰烧灼,即便很小的火灾也足够让钢梁变成面条。

有许多论文讨论过木结构抗火设计,我贴一下:



在美国,用木材来建造安全防火的建筑已有一个多世纪的成功历史。暴露在火焰中的木材将自然地形成一个阻燃碳化层,保护内部未燃烧的部分。在周围温度不断上升的过程中,木材的机械性能还表现出若干优点。当被加热时木材构件不会延展,能够维持相当的刚度。其他类型的结构材料虽然被描述为加热时不易燃烧,但它们在高温下的变形可能破坏其他的结构元素而导致建筑的倒塌。例如钢材在高温下刚度将降低,这可能会导致钢柱和钢梁的破坏。而木材构件因为内部未碳化的部分将维持其强度和刚度,建筑使用者可以获得一定的逃离时间,消防员和使用者可以与火灾搏斗而不必冒结构坍塌的危险。

在1800年,许多大型磨坊建筑和它们内部的设备被大火毁坏,给保险公司带来了巨大损失。为了减少类似的负担,人们发展出了重型木构建造方法,利用大型木构件来减少尖锐的凸出边缘以及建设过程产生的可能让高温空气通过的缝隙。当暴露在火焰中时,木材表面将形成碳化层,这一碳化层可以防止构件内部受高温侵袭。如果没有外部的燃烧元素如氧气、油料等的持续补充,碳化层就能使火焰自然熄灭。



但为什么我们的常识是铁比木抗火呢?

因为我们日常生活使用的火焰很小,总热量很低。在日常尺度下,钢铁热导率高反而成了抗火的优点——火焰烧灼面积小于钢铁工具总面积,可以迅速把热量传导到其他部分散热。

其次是钢铁的燃点的确比木材要高。在一般的火焰烧灼下,如果自己不烧起来,的确很难烧坏。而木材自己可能成为主要热量的来源,被炉灶飘出的很小的火苗引发大火。(现代房屋内没有旧式炉灶,用火的安全度要高的多,不再那么担心取暖和做饭的用火安全)

第三是我们日常使用的钢铁工具承受荷载较小,远不能接近钢铁的极限受力,比如铁锅只需要承受几斤菜肴的重力即可。所以即便烧到赤红,一般也能满足我们的需求。

这三个原因综合作用,制造了“钢铁比木头耐火”的“常识”。而建筑的体量要比我们日常使用的工具大1-2个数量级,这10-100倍的差距就会导致“常识”被颠覆。但只要你理解了其中的物理原理,【木头比钢材更抗火灾】的事实就会像【钢铁比木头更适合造大船】一样直观。

其实除了火焰之外,大多数物理现象随着尺度的增加,都会出现量变——质变的跃升,不能简单地用小尺度模型来套用。最直观的原因就是体积随尺度增加以三次方增长,表面积只以两次方增长,所以会出现变化。我前几天在这个问题里提过这个问题:

我们日常生活中考虑物理问题,默认是忽略万有引力的,因为万有引力常数实在太小。但是,万有引力这个东西,一方面和距离的平方成反比,另一方面和质量成正比。质量=密度x体积。体积是尺度的三次方,如果物体的密度不变的话,一个物理体系的尺度增加10倍,其中各个物体的体积就是原来的1000倍,距离的平方变成原来的100倍——1000/100=10,即万有引力相对其他效应增加10倍。尺度越大,万有引力的效应越明显,即便对于非常稀薄的低密度物质也一样。

所以,两块石头之间不会互相吸引绕行,地球和月亮就被引力锁在一起。普通石头可以奇形怪状,直径到了上千公里就必定是球形——在引力作用下收缩在一起。等到尺度的数量级进一步增加,这堆石头(气体也一样)收缩成一个紧密小球的趋势将更强烈,会变成白矮星中子星乃至导致时空断裂的黑洞。你设想中的像土星轨道那样大的“岩石行星”必定早就收缩为一个黑洞了。
为了避免模型和具体工程的类似差异,流体力学里有一个的概念。其他学科应该也有类似的参数。具体到热力学方面,我不太懂,就不乱说了。

补充1:



在受力要求不严苛的时候,还是有木制高楼的

补充2:

评论里有人问为何不用木头和大理石替代钢材,这个问题问的很好。我在:



这个问题里谈过工程师的职责:






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即我们这个行当的核心不是知道什么防火,什么耐压。而是在各种材料、各种施工方案之间找平衡,尽可能满足大多数需求——但绝不是满足所有需求;规避尽可能多的风险——但绝不是消灭所有风险。大理石和木头在特定条件下或许比钢材耐火,但其他工作指标差的太远,所以现在建筑主要的受力骨架一般还是靠钢材或者钢筋混凝土。我在里面指出过这个问题,欢迎大家去看,去转载。

补充3:

就着这几天的月食说一个小事情,日食的频率远高于月食。只是因为日食覆盖地区窄,月食一旦发生就能让半个地球看见,所以月食貌似比日食常见。

恶搞补充4:

评论里那些因为911配图链接里的文字大发感慨的朋友,我给你们介绍一个更神奇的链接:


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